1、第三篇 变压器,变压器的工作原理和基本结构,单相变压器,三相变压器,三绕组变压器和其他用途变压器,河北工业大学,第八章 变压器的工作原理和基本结构,8.1 变压器的工作原理 8.2 变压器的用途与分类 8.3 变压器的基本结构 8.4 变压器的额定值,内容：,8.1 变压器的工作原理,在绕组l上外加交流电压u1，根据电路原理可知，在绕组l中便有交流电流i1流入；依据电磁定律知，铁心中存在交变磁通，交变磁通不仅与产生它的绕组1相交链，而且同时也与绕组2相交链，并在绕组2中感应出电势e。 e的大小正比于其匝数，只要改变变压器绕组的匝数，就可以方便地改变输出电压的高低，从而达到变压的目的。 变压器就
2、是利用电磁感应原理来升高或降低交流电压（或电流）的静止电能转换装置。,8.2 变压器的用途与分类,按照变压器在工业中的应用分类,电力变压器 用于电力系统的电能传输和分配，是变压器中单台体积和容量最大的。 互感器 仪表测量用变压器，用于电力系统、工业控制系统中的电压和电流的数值测量。 专用变压器 在一些场合下用于专门目的的变压器。例如电炉变压器、电焊变压器、整流变压器、高压试验变压器等。 特殊用途变压器 在医疗、通信和控制等设备中完成一些特殊功能的变压器，比如隔离变压器、脉冲变压器、旋转变压器等。,8.3 变压器的基本结构,心柱用来套装绕组，铁轭将心柱连接起来，使之形成闭合磁路。为减少铁心损耗，
3、铁心用厚0.30-0.35mm的硅钢片叠成，片上涂以绝缘漆，以避免片间短路。,铁心：变压器的磁路部分,由心柱和铁轭两部分组成。,按照铁心的结构，变压器可分为心式和壳式两种。,一次绕组：输入电能的绕组；二次绕组：输出电能的绕组。,绕组：变压器的电路部分。,高压绕组的匝数多,导线细；低压绕组的匝数少，导线粗。,变压器的绕组可分为同心式和交迭式。,其他零部件 ：变压器除器身外，还有很多其他的零部件。如油浸式电力变压器，有油箱、变压器油、散热器、绝缘套管、分接开关及继电保护装置等零部件。,8.4 变压器的额定值,额定容量，额定电压，额定电流，额定频率，额定效率等。,额定值：制造厂对变压器在指定工作条件
4、下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证变压器长期可靠地工作，并具有优良的性能。额定值亦是变压器厂进行产品设计和试验的依据。额定值通常标在变压器的铭牌上，亦称为铭牌值。变压器的额定值主要有：,第九章 单相变压器,9.1 变压器的空载运行 9.2 变压器的负载运行 9.3 变压器的等效电路和相量图 9.4 变压器等效电路参数的测定 9.5 标幺值 9.6 变压器的运行特性,内容：,9.1 变压器的空载运行,空载运行：变压器一次绕组接交流电源，二次绕组开路时的运行。,按图中所规定的一次侧各物理量的正方向，由KVL可得空载时一次侧的电势方程式为,写成复数形式为,变压器空载运行时，电路和
5、磁路之间有外施电压、电势、电流、磁势及磁通等物理量互相联系在一起。其中磁势和磁通满足磁路定律，电压、电势和电流满足电路定律，而磁通和电势还必须满足电磁感应定律。,1. 空载运行的物理过程,9.1 变压器的空载运行,注意：对三相变压器，变比为一、二次侧的相电势之比。,电势和磁通之间的数量关系为,即： ， 同理有：,2. 变压器变比,相量图：,变压器变比：,9.1 变压器的空载运行,3. 激磁电流的性质和波形,激磁电流im包含两个分量：磁化电流i ，用于是建立磁场，产生主磁通无功分量；铁耗分量iFe ，作用是供变压器铁心损耗有功分量。,若磁路线性且电源电压为正弦时，可用复数表示，即,若磁路饱和，则
6、要建立正弦波的磁通，需要尖顶波的磁化电流；若磁化电流为正弦波，则在铁心所建立的磁通为平顶波。,9.2 变压器的负载运行,1. 负载运行的物理过程,变压器一次绕组接交流电源，二次绕组接负载阻抗ZL，二次绕组中有电流流过并有电功率供给负载，称为负载运行。,各物理量的正方向的规定 磁势平衡方程 电势平衡方程,2. 基本电磁平衡方程,9.2 变压器的负载运行,9.3 变压器的等效电路和相量图,1. 变压器的绕组归算,所谓把二次侧归算到一次侧是指：在不改变变压器电磁关系和能量传递关系的前提下，把二次绕组的匝数变成与一次绕组的匝数相同，相当于一台变比k=1的变压器。,2.变压器的等效电路,二次侧归算到一次
7、侧后，二次侧的电势和电压应乘以k倍，电流乘以1/k倍，阻抗乘以k2倍。,归算后基本方程,A. T形等效电路,9.3 变压器的等效电路和相量图,B. 近似等效电路,C. 简化等效电路 （变压器满载及短路时）,9.3 变压器的等效电路和相量图,3.变压器的相量图,基本方程、等效电路和相量图是分析变压器运行的三种方法。基本方程概括了变压器中的电磁关系，而等效电路和相量图是基本方程的另一种表达形式，三者是一致的。,根据： A. 已知条件 B. 基本方程,变压器感性负载时的相量图,9.4 变压器参数的测定,1. 开路实验（空载实验）,变压器等效电路的参数，可以通过对变压器实行开路实验和短路实验来确定。该
8、两实验是变压器实验的主要项目。,空载实验接线图,方法：调节调压器改变变压器的一次输入电压，并测量变压器对应的输入功率P0、一次绕组的电压U1和电流I0，测量时在额定电压点附近多测量几点。,数据处理：,注意：为方便和安全，开路实验常在低压侧加电压，高压侧开路。,计算出的是低压侧数据，若需归算到高压侧时，激磁阻抗应乘以k2。,9.4 变压器参数的测定,2. 短路实验,短路实验接线图,方法：二次绕组短接，一次绕组上通过调压器接电源。调节变压器外加电压，使短路电流达到变压器的额定电流，测量此时的一次绕组电压Uk、输入功率Pk和电流Ik，即可近似计算变压器的短路阻抗。,数据处理：,注意：为安全，短路实验
9、通常在高压侧加低电压，低压侧短路。,9.5 标幺值,标幺值：某一物理量的实际值与选定的同一单位的基值的比值。通常以额定值为基值。,优点：,3、折算前、后的标幺值相等。线值的标幺值=相值的标幺值；单相值的标幺值=三相值的标幺值；,1、额定值的标幺值为1。,2、百分值=标幺值100% ；,4、某些意义不同的物理量标幺值相等,缺点：标幺值没有单位，物理意义不明确。,5、采用标幺值后，不会改变变压器基本方程式的形式。,9.6 变压器的运行特性,1. 电压调整率,电压调整率：保持一次侧电压为额定值、负载功率因数为常值，变压器从空载到负载时二次侧电压变化的百分值。,电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标
10、之一,它大小反映了供电电压的稳定性。电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关。,9.6 变压器的运行特性,2. 效率和效率特性,变压器运行时将产生损耗，变压器的损耗分为铜耗和铁耗两类。每一类又包括基本损耗和杂散损耗。,铜耗：铜耗与负载电流的平方成正比，因而也称为可变损耗。,基本铜耗：是指电流流过绕组时所产生的直流电阻损耗。 杂散铜耗：主要指漏磁场引起电流集肤效应使绕组的有效电阻增大而增加的铜耗，以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。,铁耗：铁耗可近似认为与 或 成正比，铁耗可视为不变损耗。,基本铁耗：是变压器铁心中的磁滞和涡流损耗。 杂散铁耗：包括叠片之间的局部涡流损耗和主磁通
11、在结构部件中引起的涡流损耗等。,9.6 变压器的运行特性,效率：,当可变损耗与不变损耗相等时， 即,有最大效率：,电力变压器的最大效率较高，可达95%99%，电力变压器最大效率一般发生在I2*=0.50.6范围内,第十章 三相变压器,10.1 三相变压器的磁路系统 10.2 三相变压器的联结组号 10.3 三相变压器绕组连接方式对相电势波形的影响 10.4 变压器的并联运行 10.5 三相变压器的不对称运行,本章内容：,三相变压器对称运行时，其各相的电压，电流大小相等，相位互差 ，因此在运行原理的分析与计算时，可以取三相中一相来研究，即三相问题可以转化为单相问题。,10.1 三相变压器的磁路系
12、统,三相变压器的磁路系统，可分为各相磁路彼此无关和彼此相关两类，各有优缺点。,三相变压器组的磁路,三相心式变压器的磁路,10.2 三相变压器绕组的联结组号,1. 高、低压绕组相电势的相位关系,三相变压器高压绕组的首端通常用大写的A、B、C表示，尾端用大写的X、Y、Z表示，低压绕组的首端用小写的a、b、c表示，尾端用x、y、z表示。 为了确定相电势的相位关系，高压和低压绕组相电势相量的正方向统一规定为从绕组的首端指向尾端。 高压和低压绕组的相电势既可能是同相位，亦可能是反相位，取决于绕组的绕法和首、末端的标志方式（绕组的同名端是否同在首端或尾端）。,10.2 三相变压器绕组的联结组号,2. 高、
13、低压绕组线电势的相位关系,时钟表示法：把高、低压绕组两个线电势三角形的重心重合，把高压侧线电势三角形的一条中线作为时钟的长针，指向钟面的12，再把低压侧线电势三角形中对应的中线作为短针，它所指的钟点就是该联结组的组号。,Yy0联结组 Yy6联结组,Yy联结组,10.2 三相变压器绕组的联结组号,2. 高、低压绕组线电势的相位关系,Yd11联结组,Yd联结组,高、低压绕组采用Yy（或Dd）连接，可得0， 2 ，4， 6， 8，10这六个偶数联结组号；高、低压绕组采用Yd（或Dy）连接，可得 1 ，3， 5， 7，9， 11这六个奇数联结组号；总共可得12个联结组号。,10.2 三相变压器绕组的联
14、结组号,顺便指出，判断三相变压器联结组号时，有时将变压器高、低压侧线电势相量三角形的A点与a点重合，用高压侧线电势相量当作时钟的长针，把对应的低压侧线电势相量当作时钟的短针。,变压器联结组的种类有多种，为了方便应用，国标规定Yyn0、Yd11、YNd11、YNy0和Yy0等五种作为优先采用的标准联结组。,已知三相变压器联结组号为Yd3，画出相量图、完成绕组的连接并标记绕组的首尾端,10.3 三相变压器绕组连接方式对相电势波形的影响,1. Yy连接的三相变压器,三相变压器中，一次侧三相绕组的连接方法不同，可能导致激磁电流中的三次（及其倍数次）谐波分量不能流通，这将迫使主磁通与相电势波形畸变，并且
15、这种畸变的程度不仅与绕组的连接方式有关，还与三相变压器的磁路系统有关。,一次侧Y接线，i03=0，i0为正弦波，磁通应为平顶波。,B. 对三相心式变压器，3不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大， 3很小， 基本为正弦波，感应电动势 e 也基本为正弦波 。但通过油箱壁时将产生涡流损耗，造成局部过热，降低变压器的效率，因此，容量大于1800kVA时，不宜采用心式Yy连接。,A. 对三相组式变压器，3可以在铁心中存在，所以为平顶波，感应电动势e 为尖顶波，其中的三次谐波幅值可达基波幅值的45%60%，使相电动势的最大值升高很多，可能击穿绕组绝缘，因此，三相组式变压器不采用Yy
16、连接。,10.3三相变压器绕组连接方式对相电势波形的影响,2. Yd连接的三相变压器,一次绕组Y连接， i03=0， i0为正弦波，应为平顶波，其中的3在二次绕组中感应电动势e23，并在D内产生i23。 i23建立的磁通23大大削弱3的作用，因此合成磁通和电动势均接近正弦波。,为了能够采用Yy连接方式，工程中常在变压器中加入一个相应独立的D接绕组，达到消除三次（三的倍数次）谐波磁通的目的，解决磁通和相电势畸变问题。,3. YNy或Dy连接的三相变压器 一次侧YN或D接线，i03可以流过，i0为尖顶波，磁通应为正弦波，感应电动势 e 也为正弦波 。,10.4 变压器的并联运行,并联运行的优点:
17、提高供电系统的可靠性；提高变压器的运行效率；可以减少变压器的储备容量。,变压器并联运行是指将两台或多台变压器的一次绕组和二次绕组分别并联到一次侧和二次侧的公共母线上，同时对负载供电的运行方式 。,10.4 变压器的并联运行,1. 变压器并联运行的理想条件,1）空载时，并联运行的各台变压器二次侧之间没有环流。 2）并联运行的各变压器承担的负载电流按其额定容量成比例分配。 3）负载后并联运行的变压器二次侧电流应同相位 。,为了达到变压器并联运行的理想条件，并联运行的变压器必须具备下列条件： 1）各变压器的额定电压和电压变比应分别相等。 2）各变压器的联结组号相同。 3）各变压器短路阻抗的标幺值要相
18、等，阻抗角要相同。,10.4 变压器的并联运行,2. 变比不等时的变压器并联运行,短路阻抗不等时，并联运行变压器负载电流的标幺值与其短路阻抗的标幺值成反比。,3. 短路阻抗不等时的变压器并联运行,结论：变压器并联运行时，联结组号必须相同；电压比（变比）偏差要严格控制（一般小于0.5%）；短路阻抗的标幺值差值不大于10%，容量大的变压器短路阻抗的标幺值略小些，短路阻抗角可适当有差别。,10.5 三相变压器的不对称运行,1. 对称分量法,对称分量法的原理是把一组不对称的三相电压或电流看成三组三相同频率的对称的电压或电流的叠加，后者称为前者的对称分量。,2. Yyn连接的三相变压器单相负载分析,略,
19、第十一章 三绕组变压器及其他用途变压器,11.1 三绕组变压器 11.2 自耦变压器 11.3 互感器,内容：,11.1 三绕组变压器,1. 绕组,三绕组变压器有一个一次绕组和两个二次绕组。对应于三个绕组有高压、中压和低压三 种额定电压。 三绕组变压器的第三绕组常常接成三角形连接。 三绕组变压器的铁心一般为心式结构。 三相三绕组变压器的标准联结组有YNyn0d11和YNyn0y0两种。,2. 基本方程和等效电路,磁通示意图,简化等效电路,11.1 三绕组变压器,3. 参数的测定,磁势平衡方程：,三绕组变压器短路实验,电势平衡方程：,三绕组变压器的等效漏阻抗可用三次短路试验来测定。,11.2 自
20、耦变压器,1. 自耦变压器的连接法和容量关系,变压器的一次和二次绕组中有一部分绕组是公共绕组的变压器称为自耦变压器,接线图 绕组布置,自耦变压器的视在功率由两部分组成：一部分功率SN与普通两绕组变压器一样，由电磁感应关系传递到二次，称为感应功率；另一部分视在功率 SN/(ka-1)则是通过直接传导作用，由一次传送到二次，称为传导功率，传送这部分功率时不需要耗费变压器的有效材料。,11.2 自耦变压器,2. 自耦变压器的特点,1）由于自耦变压器的计算容量小于额定容量，所以在同样的额定容量下，自耦变压器的主要尺寸缩小，有效材料（硅钢片和铜线）和结构材料（钢材）都相应地减少，从而降低了成本。效率较高
21、。 2）由于自耦变压器的短路阻抗标么值比两绕组变压器的小，故短路电流较大。为了提高自耦变压器承受突然短路的能力，设计时，对自耦变压器的机械结构应适当加强，必要时可以适当增大短路阻抗以限制短路电流。 3）由于自耦变压器一次侧与二次侧之间有电的联系，当高压侧过电压时，会引起低压侧产生严重的过电压。为避免这种危险，一次、二次侧都须装设避雷器。,11.3 互感器,1. 电流互感器,互感器是一种测量用的设备，有电流互感器和电压互感器两种，它们的工作原理和变压器相同。,电流互感器原理图,电流互感器的一次绕组由一匝或几匝截面较大的导线构成，串入需要测量电流的电路中。二次侧的匝数较多，导线截面较小，并与阻抗很小的仪表（如电流表，瓦特表的电流线圈等）接成闭路。 电流互感器分为0.2，0.5，1.0，3.0和10等五个标准等级。例如，0.5级准确度就表示在额定电流时，测量电流的误差不超过0.5%。 电流互感器的二次绕组不容许开路。,11.3 互感器,2. 电压互感器,电流互感器原理图,电压互感器的一次侧直接接到被测的高压电路，二次侧接电压表或瓦特表的电压线圈。由于电压表和瓦特表的电压线圈内阻抗很大，所以电压互感器的运行情况相当于变压器的空载情况。 我国目前生产的电力电压互感器，按准确度分为0.5、1.0和3.0等三级。 电压互感器二次侧不能短路，否则会产生很大的短路电流。,
